在半导体制造与微纳加工领域，电子束光刻机（EBL）因其纳米级分辨率和无掩模直写的核心优势，被称为“突破光学衍射极限的纳米制造引擎”。而作为电子束光刻机的“心脏”，电子枪的性能直接决定了设备的极限分辨率与加工效率。本文将以泽攸科技的ZEL304G电子束光刻机为例，深入解析电子枪的工作原理与技术突破，揭示其如何赋能高端芯片研发与量子器件制造。
一、电子枪：电子束光刻机的“能量之源”
电子束光刻机的核心原理是利用聚焦的电子束轰击涂有光刻胶的基板，通过改变光刻胶的化学性质（正胶溶解/负胶交联），在显影后形成目标微纳结构。而电子枪正是产生并加速电子束的核心部件，其作用可概括为“三步曲”：
1. 电子发射：从“源”到“束”的第一步
电子枪通过高压电源对电子源（如场发射针尖）施加数千伏的高压，将电子从材料表面“拉出”（场发射机制），形成初始电子云。泽攸科技ZEL304G采用的肖特基场发射电子枪，通过优化场发射针尖的材料与几何结构，实现了更低的阈值电压与更高的电子发射密度，确保了电子束的高亮度与稳定性。
2. 电子加速：赋予电子“穿透与聚焦”能力
发射出的电子经加速电压（ZEL304G支持20V~30kV连续可调）加速后，获得极高的动能（如30kV加速电压下，电子波长仅0.0069nm），同时通过电磁透镜系统（如聚光镜、物镜）对电子束进行聚焦，将发散的电子云压缩成直径仅数纳米的“电子探针”。ZEL304G的最小束斑尺寸≤2nm，正是得益于电磁透镜与场发射电子枪的协同优化。
3. 电子扫描：精准“书写”纳米图案
聚焦后的电子束通过偏转线圈控制，在样品表面进行逐点扫描或矢量扫描（ZEL304G支持顺序扫描、循环扫描、螺旋型扫描等多种模式），按预设图形轰击光刻胶。其核心优势在于“无掩模直写”——无需制作物理掩模版，可直接通过计算机输入图形数据，灵活实现复杂结构的快速加工。
二、泽攸科技电子枪的技术突破：从“可用”到“领先”
相较于传统电子束光刻机，泽攸科技ZEL304G的电子枪在设计上实现了三大关键突破，使其成为国产高端电子束光刻设备的标杆：
1. 高亮度与低发散角的平衡
场发射电子枪的亮度（单位面积、单位立体角的电子流强度）直接影响电子束的聚焦能力。ZEL304G通过优化场发射针尖的真空环境与发射机制，将电子束亮度提升至行业领先水平，同时将能量发散角控制在极小范围（束斑尺寸≤2nm），确保了纳米级线宽的均匀性与边缘锐度。
2. 高电流密度与长寿命的兼顾
电子束的电流密度决定了曝光效率——更高的电流密度可在相同时间内沉积更多能量，提升加工速度。ZEL304G的电子枪束流密度>5300 A/cm²，远超常规设备，同时通过场发射针尖的耐疲劳设计（如抗离子轰击涂层），将使用寿命延长至数千小时，大幅降低了用户的维护成本。
3. 与全系统的高度协同
电子枪并非孤立部件，其性能需与图形发生器、样品台等系统深度匹配。ZEL304G的电子枪与标配的高精度激光干涉样品台（行程≤105mm）、高性能FPGA图形发生器（最大扫描速度50MHz）实现无缝协同，支持场校准、多图层自动曝光等功能，可轻松完成从简单线条到复杂三维结构的高精度加工。
三、应用场景：从实验室到产业化的“全能选手”
泽攸科技ZEL304G电子束光刻机的电子枪性能，使其在以下领域展现出不可替代的优势：
前沿科研：在量子芯片制造中，电子枪可精准刻蚀超导量子比特阵列（线宽≤10nm）；在二维材料研究中，支持与高介电常数介质（如CCTO薄膜）的集成，推动高性能二维器件的开发。半导体制造：作为EUV光刻的“掩模版制造利器”，ZEL304G可加工纳米级相移掩模（精度达0.1nm），支撑3nm以下制程芯片的研发。工业微纳加工：在MEMS传感器、光子集成器件（如纳米光波导）等领域，电子枪的高分辨率与高效率可满足小批量、定制化生产需求。大写场测试（左）最小线宽展示（右）
场拼接精度测试（左）套刻精度测试（右）
HSQ胶
厚胶测试
结语：电子枪的“中国芯”，赋能纳米制造的“加速度”
从实验室的原型机到量产的工业级设备，泽攸科技ZEL304G电子束光刻机的电子枪技术突破，标志着我国在高端电子束光刻领域已实现从“跟跑”到“并跑”的跨越。随着多束并行、混合光刻等下一代技术的研发推进，泽攸科技的电子枪将继续引领纳米制造的创新浪潮，为中国半导体产业的自主可控注入强劲动力。
泽攸科技EBL电子束光刻机
